近年来，硅基光子学迅猛发展，在基础、工程和光子学应用方面都取得了系列突破。为了重点讨论该领域，Light: Science & Applications邀请了硅基光电子学领域的领军人物：美国工程院院士、加州大学圣巴巴拉分校杰出特聘教授John Bowers介绍硅基光子学的基础研究、工业应用和发展前景。
这篇采访从约请到准备，再到发表，前后耗时几个月。最终形成的文字稿件比较长，因为Bowers院士确实在学术、工业界和生活各个领域都是一位闪闪发光的大家，所以我们两位采访人有非常多的问题想问，在准备期间各提了20多个问题，后期为了能减轻一些受访者和读者的负担，我们又进行了删减，最终落成了25个问题和答案。
完整采访视频及英文采访原文即将于12月在Light: Science & Applications发表，敬请期待！
John E. Bowers是Fred Kavli纳米技术首席科学家，加州大学圣巴巴拉分校能源效率研究所主任，电气与计算机工程系的杰出特聘教授。Bowers博士在斯坦福大学获得硕士和博士学位。在加入加州大学圣巴巴拉分校之前，他曾在AT&T贝尔实验室和霍尼韦尔国际工作。Bowers博士是美国国家工程院和美国国家发明家科学院院士，国际电气与电子工程师协会、美国光学学会和美国物理学会会士。他曾荣获IEEE光子学奖、OSA/IEEE Tyndall奖、OSA Holonyak奖、IEEE LEOS William Streifer奖以及South Coast Business and Technology Pioneer and Entrepreneur of the Year Awards等奖项。他是Aurrion、Aerius Photonics和Calient Networks三家公司的共同创始人。他出版了2本专著，15个章节，发表了900多篇期刊论文，1200多篇会议论文，并获批了75项专利。在2007年，Bowers博士及其同事因发明混合硅基激光器被授予EE Times年度电子学创意奖（ACE）的最具前景技术。
采访嘉宾：John Bowers 院士（美国加州大学圣巴巴拉分校）
采访人：万雅婷、郭宸孜
翻译：林裕财、郭宸孜、万雅婷
致谢：郭宸孜致谢中国科学院青年创新促进会会员项目[No. 20211214]
视频：Light人物：受访者John Bowers院士与采访人郭宸孜博士、万雅婷博士
Q：随着通信容量的指数级增长，未来的集成电路（IC）能否解决输入/输出的瓶颈问题？
A：对数据中心的大量需求，特别是对于人工智能和机器学习的需求，将在未来十年持续推动超快应用和高速计算的发展。明年，台积电将为iPhone和Mac量产3纳米芯片。2025年，2纳米的芯片也有望上市。当前，以处理器为中心的传统计算架构和铜线互连都已达到物理极限；因此，我们迫切需要更高速通信的硅基光子学。从博通公司的发展路线可以看出，其芯片容量将会从今年的51.2 TB/s发展到2024年的102 TB/s，乃至2026年的205 TB/s。未来，这将成为硅基光子学迈向更高容量的巨大经济驱动力。
A：主要的挑战是将Ⅲ-Ⅴ族材料集成到硅基CMOS上，这一块目前进展很快。英特尔、高塔半导体和台积电都在攻关该挑战。其他的问题还包括提高产量和可靠性、降低成本，以及和光纤的连接。电子器件和光子器件的封装也是一项挑战，特别是光纤连接所带来的温度限制。但这方面的进展也同样非常迅速。
Q：硅并非理想的光源，但您的团队却成功制备了硅基有源器件，并在过去短短几年里就实现了大规模生产。您是如何想出这个好方案的？
A：硅作为光发射器的确并不理想。它的内量子效率只有百万分之一，而直接带隙Ⅲ-Ⅴ族材料的效率接近100%。我从一开始就意识到我们需要直接带隙半导体材料，所以我并没有专注于大部分关于硅、锗锡等材料的工作。同时，我也清楚地了解，器件的可靠性需要高质量材料。缺陷是我们面临的大问题，尤其对于激光器而言。早在20世纪90年代，我们就通过把砷化镓集成在磷化镓上开发了键合LED，此后这一方案被高亮度LED的制造商们广泛采用。因此，在设计硅基激光器时，我很自然地尝试将直接带隙Ⅲ-Ⅴ族半导体键合到硅基上。事实证明，它的效果非常好。我们和英特尔的合作也解决了实际中的工艺问题，最终使之通向量产。
Q：经过多年的努力，硅基光子学中的光源还有哪些新的挑战？您最近的工作涉及到在硅基上使用量子点材料进行单片集成，您是如何进入这个研究方向的？
A：传统的磷化铟光子集成电路包含五六个再生长步骤，这限制了其成本和产量。异质集成的优势在于能够将多种材料结合在一起，统一进行键合和后续器件制作。通过异质集成，我们能够一次性将调制器、激光器和探测器一一键合，并在晶圆层面进行器件加工，避免了混合集成中高对准精度的要求。但异质集成的衬底的成本仍是个问题：Ⅲ-Ⅴ族半导体基底的尺寸远小于300毫米，这促使我们对单片式集成感兴趣。幸运的是，我们团队的工作已经在外延生长的300毫米衬底上实现了高质量、高量子产率的激光器。这令我非常兴奋，我最初从未想过这能够实现! 获得高性能硅基砷化镓器件的一个关键在于有源区是量子阱还是量子点。量子阱器件在高温下的寿命只有一千小时，而量子点器件在高温下的寿命则可超过一百万小时。位错流的具体科学知识很有趣，解决这些基础的材料问题很重要，我现在仍对这些差异感到震惊。在过去的50年里，制造可靠的砷化镓泵浦激光器很困难。端面损伤问题往往需要精细的镀膜和加工工艺才能避免。但有了硅基光子学，具有鲁棒性的硅波导端面代替了Ⅲ-Ⅴ族半导体材料端面，端面损伤的问题迎刃而解，我们也因此获得了可靠的砷化镓激光器。这是非常幸运且有成就感的。
Q：除了光源之外，光电探测器和调制器也是光子集成电路中的重要组成部分。对于高速和低损耗的片上调制器，主要的挑战是什么？硅基光子的光电探测器的噪声如何？
A：通常情况下，调制器的主要问题是微波损耗，特别是在高速运转下。对于长度为1厘米的传统铌酸锂调制器，微波损耗是一个大问题。对于短长度的环形调制器，我们则能够很快突破100 Gb/s，乃至180 Gb/s。另一个例子是马赫-曾德尔调制器：硅光芯片中芯层硅与包层二氧化硅的折射率对比度大，能将光限制在很小尺寸的芯片中，我们可以在长度很短的器件中获得非常高的性能。同样，对于光电探测器，有两个非常好的方案可用于解决噪声问题。首先，一旦硅基上有了增益，前置放大的PIN检测器的效率就会很高：比单纯的PIN本身好10 dB。其次，硅是一种优秀的雪崩材料。十年前我们与英特尔合作，展示了硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体雪崩光电二极管（APD）的增益带宽可达800 GHz。硅作为非常出色的雪崩型光电材料，这种技术极有可能实现商业化。同样地，锗和硅雪崩光电二极管方面已有很多进展，但在这方面还有很多目标有待实现。
Q：与尺寸已降至数纳米的集成电路相比，硅基光子目前的尺寸限制是否会限制其发展潜力？
A：集成电路和硅基光子两者尺寸上差异显著。45纳米技术足以制造高性能、高质量的硅基光子学器件，因此，让硅基光子达到3纳米并没有必要。较低光刻水平的老式代工厂比尺寸已降至数纳米的最新集成电路代工厂要便宜很多。因此，我认为在同一工艺流程中把光子学和电子学集成到同一晶圆上并不可取：它会使两种工艺流程更加昂贵，耗时更长。相比之下，将较大尺寸的光子集成电路与3纳米或更小尺寸的电子器件工艺做三维集成，是一个更理想的集成思路。目前，一个5微米直径的环形调制器已经可以与最好的处理器进行兼容的大容量互连。因此，对于光子学器件来说，尺寸并不需要变得那么小。
Q：为了在CMOS代工厂加工硅基光子器件，在引入异质集成Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的情况下，我们应该如何控制污染问题？
A：铟、镓、砷和磷等大多数Ⅲ-Ⅴ族材料本来就存在于代工厂脏端，污染问题可以在后端工艺中解决。另外需要注意的是，对于需要低损耗光波导的光学陀螺仪，在引入Ⅲ-Ⅴ族材料之前需要进行高温处理。光子集成工艺的顺序的调整很重要。
Q：硅基光子学能够实现广泛应用，您对此有什么看法？
A：硅基光子学对于任何有大通量、规模化需求的应用都是理想选择，数据中心是最大和最直接的应用。电信，如Acacia所证明的那样，则是第二大通量的应用。硅工艺的统一性和优越性能将会起到重要作用：65纳米工艺中的光刻技术大大优于典型的磷化铟代工厂；光栅等精密结构都可以用高性能的光刻机直接写入。第三个广泛应用是光学激光雷达，尽管该应用对成本控制要求严格，光学相控阵列复杂度也较大。二维扫描光束需要与电子驱动器相匹配，以控制光学相控阵列。因此，将光子和电子芯片放在同一个衬底上进行三维集成就变得很重要。光学陀螺仪是另一个例子，其中的芯片可能相当大。为了得到一个灵敏的旋转传感器，芯片的边长至少要达到一厘米。所以硅的大面积衬底、大通量和低成本工艺可令以上应用受益。目前最好的陀螺仪是基于光纤光学的，这种陀螺仪工作得非常好，但它们不是集成的，而且很昂贵。我认为我们可以用硅波导和氮化硅波导制造更好的陀螺仪。
A：微梳的进展是非常惊人的。尤其是，如果对比一下它在十年前以及今天的发展情况，真是令人惊叹。十年前，微梳噪声很大，而现在做一个单一的孤子和非常稳定的微梳很简单。我认为产生孤子的交钥匙方法是关键。每次你打开它，你会得到一个单一的孤子和低噪音。而且可以生成数百条线，这将促进DWDM（密集波分复用）、稳定的多波长光源等应用，还可以生成倍频程带宽的极静音时钟。我们已经见证了光学合成器的建立，据此我们可以以1 Hz的步长来移动太赫兹范围的频率。我希望在光子领域，也会迎来像电子领域开发了合成器一样的革命。因为合成器的绝佳频率控制，可以赋能一大批新的应用。而将激光控制在1 Hz的能力也将开启大量的应用。
A：整个人工智能和机器学习领域正在迅速推动对大规模高效计算的需求。光学计算是做矢量矩阵乘法等运算的一种自然方式。在这样的运算力中，你可能不需要16位的分辨率，但你需要一个有效的答案。有一大批公司正在将硅基光子学用于光学计算，我认为它将有很大的影响力，而且效果会很好。量子计算是另一个拥有很多内在优势的方案，举例而言，由于巨大的非线性，砷化镓可以用来高速制造纠缠的光子，这对未来的量子应用是非常有潜力的。
Q：您对铌酸锂、砷化镓等其他用于光子集成的材料平台有什么看法？
A：硅上铌酸锂薄膜发展的很快。使用铌酸锂薄膜，紧凑的模式限制有助于制造高速调制器、频率梳发生器和各种不同的器件。哈佛大学的Marko Lončar研究组在推动这一方面的研究中取得了巨大的成功。以砷化镓为例：高数微米、宽0.8微米的砷化镓谐振器可以高效地生成二次谐波、光子纠缠和微梳。目前，仅用20微瓦的功率就能产生微梳，这在十年前是无法想象的。尽管如此，集成方面的挑战仍然存在。铌酸锂具有不同的热膨胀系数，这限制了其与其他工艺步骤的结合。砷化镓材料的热膨胀系数范围与硅更接近，通常可以达到400或500℃。通常情况下，当你将铌酸锂与其他硅基光子材料一起使用时，工艺温度会被限制在200或250℃。这些可以在后端工艺中解决。
Q：您的下一个研究重点是什么？
A：我希望是扩大硅基光子学的应用范围。硅基光子学在数据中心的应用已经很成熟了。目前，英特尔在这方面有约十亿美元的业务，许多其他公司也在积极参与其中。随着高塔半导体、台积电、格罗方德和艾迈斯等硅基半导体代工厂的发展，硅基光子学在激光雷达、陀螺仪、光谱学等其他领域的应用也将迎来大量机会。双梳光谱是一个激动人心的进展，它将使我们能够探测到各种污染物、温室气体，以及我们血液成分的医疗感应等等。这就是我对未来的兴奋期待之处。此外，大多数硅基光子学仍然在红外波段，进入可见光波段也是很重要的课题。同时，硅基光子学的范畴并不限于硅波导，它可以涵盖铌酸锂波导、化合物半导体、腔键合绝缘体上硅、氮化硅等各种使用硅衬底和硅工艺的波导。Nexusphotonics公司就是一个例子：使用氮化硅波导，他们制造了980纳米的可调谐激光器，操作温度可高达185℃，这是一个非凡的成就。通过氮化硅的硅基光子技术，我们还能实现原子钟、显示、眼镜和隐形眼镜上的抬头显示器等一系列应用。
Q：您不仅是一位顶尖的科学家，还成功地将许多产品商业化。从研究到商业化的关键因素是什么？
A：最大的关键因素当然是雇用聪明人。我非常幸运，有很多聪明的学生和博士后离开我的研究组后创办了公司，我也很高兴自己能够帮助他们。如果学生们在大学实验室里取得的研究成果能在离开实验室后实现商业化，研究将变得非常具象化，这是令所有人都值得骄傲的事。我的学生中，Aurrion公司的Alex Fang，Aerius Photonics公司的Jon Geske， Nexus公司的Tin Komljenovic，以及Quintessent公司的Alan Liu，都已经成功地将他们所做的研究应用于真正的产品，有望改变世界。
Q：硅基光子的商业化已经吸引了巨大的风险投资。您认为硅基光子学的发展能否跟上其初创公司的扩张步伐？
A：过去，硬件公司需要巨大的前期投资，因为你必须建立一个加工厂。以Infinera公司为例，他们做的第一件事就是建立超净间，这非常昂贵，而且需要很长的时间。现在，我们可以使用完善的、资金充足的先进代工厂。这些工厂虽然是为了电子产品而建造的，但现在也可以用于光子产品。这使得公司们能够在不须太多资金投入的情况下推出产品，然后迅速扩大规模。举例而言，英特尔从生产第一个100 GB的收发器到每年生产300万个收发器只用了三年时间。这就是消耗性电子产品和传统CMOS工厂给硅基光子学器件带来的优势。
Q：您在贝尔实验室的工作经历对您选择硅基光子学作为加州大学圣巴巴拉分校时期的研究重点有什么影响？
A：我很幸运在一开始（1982年）就去了贝尔实验室。那时第一批光纤系统刚刚部署，速度不太理想，仅有100Mb/s。当时的问题非常明显：我们必须转向更长的波长，即1.3和1.55微米，并转向单频激光器。有了非常明确的研究方向，我可以走到走廊上找到任何我需要的专家，无论是关于光纤、外延生长或是工艺。我们学会了通力合作，并迅速发展出了第一个2、4、8、16Gb/s的系统，然后是整个密集波分复用器、以及光学前置放大器系统。当我去加州大学圣巴巴拉分校时，这些都已经建立起来了，互联网也开始广泛使用。所以我们首先研究了垂直腔面射型激光器（VCSELs），特别是使用键合技术来制造长波长的VCSELs、LED和用于频率梳的锁模激光器。然后，当硅基光子学开始爆发的时候，对硅基激光器的需求就很显著了。每个光子集成电路都必须有一个集成激光器，而传统的光纤耦合激光器限制了光源的复杂集成。对我来说，我必须要做硅基激光器而非其他的事情。电子学可以成功是因为我们有低成本的增益，没有增益就无法制造复杂的集成电路。光纤光学也是如此。正是掺铒光纤放大器的发展使得低成本、高容量的光纤系统成为可能，进一步导致了光纤光学的爆发性发展。对于光子集成电路来说也是如此。无论是激光器或是单纯的放大器，我们都需要在芯片上有增益，以制造更大、更复杂的芯片。我们还处在硅基光子学领域的初期阶段，我们将在未来看到更好的性能。
A：我非常喜欢教学。我喜欢看到学生取得成功。一些学生刚到我组里来时，甚至不知道如何使用示波器，而他们毕业后却成为了该领域的世界级领导者。这是他们应该感到非常自豪的事情，我也为他们所取得的成就感到自豪。早期，我投入了很多精力去运营Terabit或Calient等从我团队孕育出的初创公司。但现在，学生是管理公司的带头人，而我的作用只是帮助他们获得成功。同时，我也为很多成为长聘教授的学生感到非常自豪，他们在教学和研究的很多方面做的比我还要好。
Q：您的职业生涯的哪一部分最让您兴奋？
A：我认为是改变世界。如果我们能在硅基而非磷化铟或砷化镓上制造光子学器件，如果我们还能用它解决医疗问题，并利用硅基光子学制造高效的量子计算机，那将会令我非常高兴。改变世界是一项团体运动，常常需要团队的协同努力。大主角通常是由其他人来扮演的，比如Alex Fang（注：Bowers教授学生、Aurrion公司首席执行官）或是其他领导整个公司团队的人。我很高兴能支持他们创业。
Q：您已经指导了80多名博士生和博士后，他们中的大多数人仍然在集成光子学领域工作。您是如何激励和支持您的学生在这个领域工作的？
A：集成光子学是一个很棒的领域，它仍在爆发式增长。不同的领域在不同的时间诞生，并在不同阶段趋于成熟饱和。电信行业正在变得成熟：Acacia的许多出色工作催生了先进的硅基光子相干系统，并展示了可以在CMOS工厂中生产的品质。这是一个重要的领域，但同时也是一个成熟的领域。另一方面，数据中心仍在爆发，有很多革新正在发生，我们仍处于早期阶段。其他领域，例如光学计算、量子计算、传感等，都仍处在非常初期的阶段。未来，很多学生将会在这些领域做出非常复杂的器件，远超我们今天所看到的。总的来的，我认为选择一个正在扩张的领域很重要。硅基光子学的另一大优势在于其巨大的经济驱动力，即，需要将电子学和光子学结合起来。我们可以制造更好的光子学器件，因为我们有三维集成的电子器件来驱动它。反过来，一旦我们有了光子学来做互连，我们就可以制造更好的电子产品。这是一个很大的经济驱动力，其他一切基本上都可以从这一点出发。
Q：硅基光子现在是实现下一代数据通信的关键技术。但在20年前，您是如何说服学生进入这个新领域工作的？
A：就像著名冰球运动员Wayne Gretzky说的，我总是主动滑向冰球运动的方向，而不是等冰球到位再追。当我第一次来到加州大学圣巴巴拉分校时，我们有一堆大型激光系统，但我们迅速的转向了半导体和光纤。光子集成电路具有低成本、可快速规模化等优点。据此，我将其作为我致力的方向，我鼓励我的学生也这样做。
Q：您是许多研究人员的榜样。那么在您开始职业生涯时，谁是您的榜样？
A：我的导师Gordon Kino教授是我最大的榜样，他是一个杰出的人，一个数学家，真正引领了我们当时所做的理论。从他那里，我学到了把实验和理论结合起来。近年来，Rod Alferness教授是我的榜样之一，他现在是加州大学圣巴巴拉分校的院长，之前是贝尔实验室的系主任和首席科学家。他是研究领域内首屈一指的领导者，总是能够鼓励研究人员，给他们提供好的建议，给他们提供需要的资源引导他们走向正确的方向。这也一直是我的目标。如果我能够确保学生有资源来做他们想做的研究，而不被设备所限，他们就更能够自我激励，大有作为。
Q：是什么促使您在早期去攻读博士学位？您想与刚刚开始学术生涯的学生分享什么样的建议？
A：最主要的动力显然是进入实验室，做真正的研究。当我还是明尼苏达大学的一名本科生时，我很幸运的能与Marvin Marshak教授领导的高能物理小组合作，在阿贡国家实验室和费米实验室做了许多实验工作。这令我振奋。作为一名物理专业的学生，这些经历让我确信从事物理研究就是我想做的事。但我也发现，我身边只有几十分之一甚至百分之一的研究生最终能成为终身教授，我认识的很多高能物理学家后来成为了计算机科学家。这使得我开始转向固体物理学领域攻读博士学位，在这里我认识的几乎所有人后来都留在了固体物理学领域。此外，我是在70年代末上的研究生，那时候光纤技术刚开始发展。所以于我而言，很明显，这是一个可以去钻研的好领域。
Q：您在学术和企业界都承担了很多工作。您是如何处理这些多线程任务的？
A：多线程任务管理能力是我们每个人都需要的。分清工作的轻重缓急和有条不紊是关键。攻读博士本身就是一个复杂的多线程任务。我经常对研究生说，撰写毕业论文是一件极具挑战的事，你必须对过程的艰苦程度有合理的预期。当你处于低谷情况时，当你不断遭遇失败而其他人似乎都很成功时，你必须继续努力。你不能只因一时失败就跳到其他领域，你应该坚持下去。要知道，这个过程中会有很棒的、令人兴奋的日子，但也会有非常低落的、什么都行不通的时光。你必须下定决心，迎难直上。而事实上，问题越难，你的成功就会越突出。
Q：您是如何平衡工作和生活的？
A：我认为锻炼身体很重要。当你的工作有很多要求，生活中又有很多家庭的需要时，保持平衡很难。我大多数时候都是在6点左右起床，一小时的自行车骑行后，开始一天的工作和生活。定期运动很好地帮助了我管理压力和保持健康。一旦你有了孩子，参与他们的活动，无论是足球还是其他的运动，都很重要。
A：在贝尔实验室时，我们有个几十个人的小组，每天中午都去跑步，那非常棒。但我的膝盖已经不如以前，所以我无法再长跑了。现在我更喜欢骑自行车、滑雪、打匹克球。
图4：Bowers教授和他的团队成员去科罗拉多滑雪
Q：过去几十年我们见证了期刊的蓬勃发展，我们非常幸运地得到了您对我们的三个期刊Light、eLight和LAM的支持。您认为什么因素才能构成一本好的期刊？
A：我认为Light、eLight和LAM都是非常高质量的期刊，我很幸运能在上面发表工作。我认为高标准和快速处理稿件是关键，你们在这两方面都做得非常好。
万雅婷，博士，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）助理教授，2017年以香港科技大学博士生最高荣誉 “PhD Research Excellence Award”毕业，之后5年在美国加州大学圣巴巴拉分校John Bowers教授组从事博士后研究，主导了Intel 2021年成立 Research Center of Integrated Photonics后第一个审批的高校项目：量子点异质光子集成工作，并荣获2021 CLEO Tingye Li Innovation Prize。2022年，万博士全职加入KAUST，创建集成光电子实验室，基于硅基异质外延集成工艺，致力于实现高性能、高集成度的硅基量子点集成光电芯片, 及其在高速大容量光通信，光计算及量子通信方面的应用，并荣获Light：Science & Applications和iCANX联合举办的2022年全球光学未来之星奖（Rising Stars of Light）。近5年，万博士发表国际SCI期刊论文36篇，包括在 Optica、 ACS Nano、 Laser & Photonics Review 等光学领域著名国际期刊第一作者论文 24 篇（8次被选期刊封面）。万博士同时担任JSTQE客座编辑， Nature和 OSA旗下等 20 种外文期刊审稿人，获 2018 年度 PIERS Young Scientist Award，2019 年度 Rising Stars Women in Engineering, 2021年度 OGC Best Young Scientist Award。
郭宸孜，博士，高级工程师。任中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Light学术出版中心副总编、卓越计划高起点新刊eLight编辑部主任、卓越计划领军期刊Light: Science & Applications责任编辑。中国科学院青年创新促进会会员，中国科技期刊编辑学会国际交流与合作工作委员会，中国科技期刊编辑学会青委会委员、吉林省科技期刊工作者协会理事。荣获第三届中国科技期刊青年编辑大赛一等奖、中国科技期刊卓越行动计划优秀编辑、中国科协优秀科技论文编辑表彰、中国科学院科技出版先进个人奖、吉林省省直机关青年典型50人、中国科学院长春分院青年先锋，中科院长春光机所第二届先进个人等奖项。主持卓越计划高起点新刊项目等国家、省部级项目及基金课题4项，在Nano Today、Science China Materials、Applied Optics、《编辑学报》等学术期刊发表论文30余篇，作为共同作者出版译著1部（《光学与光子学：美国不可或缺的关键技术》，科学出版社），受邀在国内外学术会议做报告30次。
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